Kuantum yol girişimi ile plazmonik doğrusal olmayan süreçlerin kontrolü
Controlling the plasmonic nonlinear processes with quantum path interference
- Tez No: 1005172
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN, PROF. DR. ALPAN BEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tezde doğrusal-olmayan optik frekans dönüşümü/çevrimi olan üçüncü harmonik frekans üretiminin (THG) voltaj ile kontrolü gösterildi (dolayısıyla da kuantum dolanıklığının kontrolü gösterildi). Temel motivasyonumuz, ışın ayırıcılar ve faz kaydırıcılar gibi voltajla ayarlanabilen bileşenlerin zaten mevcut olduğu entegre fotonik devrelere, klasik-olmayanlığı (örn. sıkıştırılmış kuantum halleri) doğrudan kontrol eden ve entegre bir çip üzerinde çalışan bir elemanı ekleyerek evrensel kuantum bilgisayarlarının (bilgi işlemenin) çok daha hızlı çalışmasını sağlamaktır. Bunu başarmak için, iki metal nanoparçacık arasındaki“sıcak bölge”de güçlü biçimde lokalize olan bir plazmonik modun bir kuantum nesne (örn.kuantum-noktası veya kusur noktası) ile bağlandığı hibrit bir konfigürasyonun eşleşmesini inceledik. Böyle bir düzenek (zayıf-orta bağlanma bölgesinde plazmon-kuantum obje eşleşmesi) THG için plazmon enerji bandı içinde yer alan iki tane çevrim/girişim yolu üretir. Kuantum objelerin enerji geçiş aralıklarını ayarlayarak THG sinyalini kapatabilir veya açabiliriz. Sistemi hem analitik hem de 3B doğrusal-olmayan Maxwell denklemleri ile çözebiliriz. Bu cihaz yol girişimini ve Fano-tipi frekans kontrolünü mümkün kılan pasif bir bağlanma kanalı olarak çalışır. Analitik kısımda, sistem Hamiltonyenini uzaysal örtüşme integrallerini kullanarak yazıyor ve Heisenberg hareket denklemleri çerçevesinde üçüncü harmonik mod genliği için durağan-durum ifadesi türetiyoruz. Ortaya çıkan formül, kuantum objenin geçiş frekansının ($\Omega_{\rm KO}$) uygulanan voltaj ile ayarlandığında artırım ve azaltım rejimlerini açıkça öngörmekte; böylece doğrusal-olmayan plazmonik çıktının ve buna eşlik eden klasik-olmayan özelliklerin doğrudan elektriksel kontrolünü mümkün kılmaktadır. İkinci olarak, nümerik tarafta ise kuantum objeyi Lorentz dielektrik fonksiyonu ile modelliyor ve ilgili analitik öngörüleri (kapatma ve güçlendirme) FDTD simülasyonlarıyla doğruluyoruz. Bu simülasyonlar, $\Omega_{\rm KO}$ tarandığında artırım/azaltım rejimleri boyunca yaklaşık $10^3$ mertebesinde bir toplam modülasyon derinliğine ulaşıldığını göstermektedir. İkinci temel sonuç ise, zayıf bağlanma rejiminde aynı plazmonik yapıya bağlanan çok sayıda kuantum objeyi ele almaktadır. Yayıcı sayısı arttıkça efektif bağlanmanın artacağı ve sinyalin güçleneceğine dair doğal beklentinin aksine, kuantum obje sayısındaki artışla birlikte Fano yanıtının ve artırım mekanizmasının zayıfladığını ve hatta ortadan kaybolabildiğini buluyoruz. Bunun sebebi farklı, KO'lerin girişim fazlarının farklılığıdır. Bu durum, aygıt tasarımı açısından çoklu-yayıcı etkilerinin pratik önemine işaret etmekte ve deneysel olarak raporlanan eğilimlerle uyumludur. Genel olarak bu çalışma, plazmonik platformların yalnızca elektronik-fotonik arasında bir köprü olma potansiyeline değil, aynı zamanda entegre sürekli değişken fotonik sistemlerde voltajla ayarlanabilir doğrusal-olmayanlık ve dolanıklık kontrolüne giden uygulanabilir bir yol sunma potansiyeline de sahip olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, we demonstrated voltage control of third-harmonic generation (THG), a nonlinear optical frequency-conversion process (and consequently, control of quantum entanglement). Our primary motivation is to make universal quantum computers (information processing) operate much faster by adding to integrated photonic circuits an on-chip, fully integrated element that directly controls nonclassicality (e.g., squeezed quantum states), where voltage-tunable components such as beam splitters and phase shifters already exist. To achieve this, we investigated the coupling of a hybrid configuration in which a plasmonic mode, strongly localized in the“hot-spot”between two metal nanoparticles, is coupled to a quantum object (e.g., a quantum dot or a defect center). Such a setup (weak-to-intermediate plasmon–quantum-object coupling) produces two conversion/interference paths for THG within the plasmon energy band. By tuning the transition energies of the quantum objects, we can switch the THG signal off or on. We can solve the system both analytically and via the 3D nonlinear Maxwell equations. This device operates as a passive coupling channel that enables path interference and Fano-type frequency control. In the analytical part, we write the system Hamiltonian using spatial overlap integrals and derive a steady-state expression for the third-harmonic mode amplitude within the framework of the Heisenberg equations of motion. The resulting formula explicitly predicts enhancement and suppression regimes when the quantum object's transition frequency ($\Omega_{\rm QO}$) is tuned by an applied voltage, thereby enabling direct electrical control of the nonlinear plasmonic output and the accompanying nonclassical features. Second, on the numerical side, we model the quantum object with a Lorentz dielectric function and verify the corresponding analytical predictions (switching and enhancement) with FDTD simulations. These simulations show that, when $\Omega_{\rm QO}$ is scanned, an overall modulation depth on the order of $10^3$ is reached across the enhancement/suppression regimes. A second key result concerns the weak-coupling regime, where many quantum objects are coupled to the same plasmonic structure. Contrary to the natural expectation that the effective coupling should increase and the signal should be enhanced as the number of emitters increases, we find that the Fano response and the enhancement mechanism weaken—and can even disappear—as the number of quantum objects grows. The reason is the mismatch in the interference phases of different quantum objects. This points to the practical importance of multi-emitter effects for device design and is consistent with experimentally reported trends. Overall, this work shows that plasmonic platforms have not only the potential to serve as a bridge between electronics and photonics, but also the potential to provide a feasible route toward voltage-tunable control of nonlinearity and entanglement in integrated continuous-variable photonic systems.
Benzer Tezler
- Strong and weak light-matter interactions in plasmonic and optical cavities
Plazmonik ve optik kavitelerde güçlü ve zayıf ışık madde etkileşimleri
NAHİT POLAT
Doktora
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN BALCI
- Ballistic transport and tunneling in small systems
Başlık çevirisi yok
A.ERKAN TEKMAN
Doktora
İngilizce
1990
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM ÇIRACI
- Tiyazol-ferrosen ile modifiye edilmiş kromenilyum-siyanin tabanlı ve çok kanallı yeni bir cıva (II) sensörün geliştirilmesi
Development of a novel multi-channel mercury (II) sensor based on chromenylium-cyanine modified with thiazole-ferrocene
ELİF YILMAZ
- Targeting and activation of antigen specific CD8+ T cells with peptide-major histocompatibility complex I tetramers
Peptit-majör histokompatibilite kompleks I tetramerleri ile antijen spesifik CD8+ T hücrelerin hedeflenmesi ve aktivasyonu
ŞAFAK CEREN USLU ŞIVGIN
Doktora
İngilizce
2025
BiyoteknolojiHacettepe ÜniversitesiTemel Onkoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HANDE CANPINAR
- Vakum ortamında, düşük sıcaklıklı, taranabilen harici optik geri beslemeli diyot lazer sistemi platformunun tasarlanması, kurulması ve çalıştırılması
Desinging, establishing and working tunable external cavity diode lazer system platform with optical feedback under low temperature and vacuum
BÜLENT HARUN KILIÇ
Doktora
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiMersin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN MUTLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM KÜÇÜKKARA